磁性隧道结中垂直自旋转矩效应的微磁研究

磁性隧道结是磁性随机存储器（MRAM）的首选记录单元材料，研究流过纳米存储单元的自旋极化电流所产生的转矩作用是当前国际磁学界的一个重要热点领域。与近几年研究较多的"面内自旋转矩效应"相比，2008年新发现的"垂直自旋转矩效应"是电流驱动隧道结磁化翻转的又一关键因素，对研发电流直接操控的自旋转矩型MRAM至关重要。然而有关该效应的物理机理、特性和作用等基础性研究才刚刚起步，亟待深入探讨。本课题拟采用微磁学方法，发展隧道结中的自旋转矩模型，研究垂直自旋转矩与偏压、隧道结结构对称性等因素的依赖关系，阐明垂直自旋转矩效应的物理机制，进而理论优化隧道结器件结构，探讨降低翻转电流的有效方法和途径，为发展新型电流直接驱动的MRAM奠定理论基础。

对纳米尺度磁性器件中自旋极化电流直接调控磁矩的行为特性开展系统深入研究，将极大推进自旋转矩型磁性随机存储器和微波振荡器等新型自旋电子器件的开发。本项目针对自旋阀和磁性隧道结中自旋转矩效应的机理和其它一些关键科学技术问题开展了系列研究。在该项目资助下，共发表了24篇SCI论文(含APL 10篇)。项目执行期间主要取得以下结果：1）开发了包含自旋转移矩垂直项的微磁模拟程序，研究了磁性隧道结器件中面内和垂直项共存时电流驱动的磁动力学特性，揭示了垂直转矩项对磁化翻转的加速作用依赖于电流方向；2）设计了一种翻转速度能够提高近10倍的“垂直-面内”双自旋极化型先进自旋阀结构，并发现其自旋转矩强度表现为“不翻转、翻转、和周期振荡”三种不同的动力学行为参数空间；3）建立了经过多次散射后自旋转矩STT效率因子的解析模型。发现多次反射效应的引入不仅使STT临界翻转电流密度降低，而且会改变自由层的进动频率随电流变化的对称性，表现为负电流时频率变化迅速的特点；4）在保持强垂直各向异性的前提下，获得了一种可有效提高Co/Ni多层膜垂直矫顽力的的在位热处理方法；5）此外，在反铁磁垂直交换耦合强度的温度依赖性、磁阻尼系数的界面影响、纳米线中磁畴壁的退钉扎行为和飞秒激光调控的超快退磁过程等方面也得到不少有意义成果。